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正离子核
硅原子
锗原子
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
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1.1.1 本征半导体
本征半导体—化学成分纯净、结构完整的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常 称为“九个9”。
本征半导体的共价键结构
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
(1) 稳定电压UZ ——
在规定的稳压管反向工作电流IZ下， 所对应的反向工作电压。
(2) 动态电阻rZ ——
rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压性能越好。
(3) 最小稳定工作电流Izmin ——
保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。
(4) 最大稳定工作电流Izmax ——
电子空穴对 自由电子 N型半导体
++ + + ++ + + ++ + +
多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴
施主离子
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2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子 空穴 硼原子
电子空穴对 P型半导体
空穴
－ － －－
－ － －－
－ － －－
受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
1.3.1 基本结构
NPN型
B
基极
C 集电极
N P N
E 发射极
符号:
集电极 C
BP N
基极 P
发射极 E
PNP型
NPN管
PNP管
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C 集电极
集电区：
面积较大
N
B
P
基极
N
基区： 较薄， 掺杂浓度低
B
基极
发射区：
E
掺杂浓度较高
发射极
C 集电极
N
集电结
P
N
发射结
E 发射极
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1.3.2 BJT的内部工作原理（NPN管）
1.5
△ iB
IB =100uA IB =80uA IB =60uA IB =40uA IB =20uA IB=0 uCE (V)
β一般取20~200之间
（2）共基极电流放大系数：
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2.极间反向电流
例 2 ： 二 极 管 构 成 的 限 幅 电 路 如 图 所 示 ， R ＝ 1kΩ ， UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、 串联电压源模型计算电流I和输出电压uo
解：（1）采用理想模型分析。
采用串联电压源模型分析。
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（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如下图右所示， 分别采用理想二极管模型和串联电压源模型分析电路并画出
超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。
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例4：图示电路，已知发光二极管的导通电压为1.6V，正向 电流为5 ∼ 20mA时才能发光。试问： （1）开关处于何位置时发光二极管可能发光‽ （2）为使发光二极管发光，电路中R的取值范围是多少‽
解：1） 开关断开时。 2）
R的取值范围是220 ∼880 Ω。
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1.3 双极型晶体管
半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时， 多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被 称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor， 简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。
图1.3.1 晶体管的几种常见外形
2020/11/21
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二极管的单向导电性将不能很好的体现。
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+-
C
C
当f很高时， 很小，电容近似短路，二极管 失去单向导电作用。
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1.2.3 wk.baidu.com极管的模型及近似分析计算
1.二极管的直流模型
R 1kΩ E 10V
D—非线性器件 RLC—线性器件
i
I
u
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二极管的模型
二极管的V—A特性
导通压降
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
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1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。
1.N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，砷等，称为N型半导体。
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N型半导体
硅原子 多余电子
磷原子
外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动
→多子扩散形成正向电流I F
正向电流
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(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。
外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
P
在一定的温度下，由本 征激发产生的少子浓度是 一定的，故IR基本上与外 加反压的大小无关，所以 称为反向饱和电流。但IR 与温度有关。
三极管在工作时要 加上适当的直流偏 置电压。 若在放大工作状态： 发射结正偏： 由VBB保证 集电结反偏： 由VCC、 VBB保证 UCB=UCE - UBE > 0
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＋
+
UCB
c区
－
b区
UCE
＋
UBE
e区
－
－
共发射极接法
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1．BJT内部的载流子传输过程
（1）因为发射结正偏，所以发 射区向基区注入电子 ，形成了扩 散电流IEN 。同时从基区向发射区 也有空穴的扩散运动，形成的电 流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E ≈ I EN 。
解：1）开关断开时。
2）开关闭合时。
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1.2.4 稳压二极管
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管
＋
反偏电压≥UZ时，
稳压管反向击穿。
UZ
－
稳定 电压
限流电阻
当稳压二极管工作在 反向击穿状态下，工 作电流IZ在Izmax和Izmin 之间变化时，其两端 电压近似为常数。
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稳压二极管的主要 参数
束缚电子
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当温度升高或受到光照时，共价键中的束缚电子能量增高，有的电 子挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。 这一现象称为本征激发，即热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中出现一个空位，称为空穴。
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+4
+4
空穴
+4
电子空穴对
可见，本征激发同时
产生电子空穴对。
+4
+4
外加能量越高（温度
越高），产生的电子空
穴对越多。
与本征激发相反的
+4 +4
现象——复合
自由电子
+4 +4
在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。
常温300K时： 硅：
电子空穴对的浓度
锗：
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E
－
＋
导电机制
自由电子 带负电荷 电子流
载流子
空穴 带正电荷 空穴流 ＋总电流
i 为流过PN结的电流
IS 为反向饱和电流 UT =kT/q 称为温度的电压当量
其中k为玻耳兹曼常数 1.38×10－23
q 为电子电荷量1.6×10－9 T 为热力学温度 室温（相当T=300 K）时， UT=26 mV。
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PN结的伏安特性曲线
反向饱和电流 反向击穿电压
反向击穿
反偏 IR（少子漂移）
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1.2.1 半导体二极管的V—A特性曲线
实验曲线
锗
击穿电压UBR
(1) 正向特性 i
u
V
mA
(2) 反向特性
i u
V
uA
反向饱和电流
导通压降 硅：0.7 V
死区 电压
E
锗：0.3V
硅：0.5 V 锗： 0.1 V
E
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1.2.2 二极管的主要参数
(1) 最大整流电流IF
二极管长期连续工 作时，允许通过二极管的
相应的输出电压波形。
ui
4V
2V
t
0
-4V
uo
解：①采用理想二极管模型 2V
t
分析。波形如右图所示。
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ui
4V
2.7V
t
0
-4V
uo
2.7V
②采用串联电压源模型
t
分析，波形如右图所示。 0
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例3：图示电路，二极管导通电压UD为0.7V，试分别估算 开关S断开和闭合时，输出电压Uo的值。
称为穿透电流。 IE =IC+IB
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1.3.3 BJT的特性曲线（共发射极接法） (1) 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=常数
死区电压
硅 0.5V 锗 0.1V
导通压降
硅 0.7V 锗 0.3V
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(2)输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const
饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。
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杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关
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1.1.3 PN结及其单向导电性
1 . PN结的形成
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区
串联电压源模型（恒压降模型）
UD
U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。
理想二极管模型
正偏 反偏
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二极管的近似分析计算
例1： R
1kΩ
E
I
10V
串联电压源模型 R
理想二极管模型 R
1kΩ
E
I
10V
0.7V
1kΩ
E
I
10V
实际测量值： I=9.32 mA
相对误差
相对误差
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PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。
用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用于 高频整流和开关电路中。
(3) 平面型二极管：
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半导体二极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
2AP9
用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N 型Si， D为P型Si。 2代表二极管，3代表三极管。
最大正向平均电流。
(2) 最高反向工作电压UR
二极管工作时允许外加的
最大反向电压，超过此值，二极管
(3) 反向电流IR——
可能因反向击穿而损坏。
室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。 硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。
(4) 最高工作频率fM——
fM是二极管工作的上限频率。超过此值，由于结电容的作用，
电击穿——可逆 热击穿——烧坏PN结
IF（多子扩散） 正偏
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1.2 半导体二极管
结构
二极管 = PN结 + 管壳 + 引线
符号
P
+
阳极
N
-
阴极
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二极管的几种外形：
二极管按结构分为三大类：
(1) 点接触型二极管
PN结面积小，结电容小，
用于检波和变频等高频电路。
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(2) 面接触型二极管：
N
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PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；
PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。
结论：PN结具有单向导电性。
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3. PN结的电流方程和伏安特性曲线
根据理论分析，电流方程为：
u 为PN结两端的电压降
当 u>0 u>>UT时 当 u<0 |u|>>|U T |时
（2）发射区的电子注 入基区后，变成了少数载 流子。少部分遇到的空穴 复合掉，形成IBN。所以基 极电流I B ≈ I BN 。大部分 到达了集电区的边缘。
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（3）因为集电结 反偏，收集扩散到 集电区边缘的电子，
形成电流ICN 。
另外，集电结区的 少子形成漂移电流 ICBO。
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形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E
空间电荷区
少子漂移电流
耗尽层
多子扩散电流
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少子漂移
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E
又失去多子，耗尽层宽，E
内电场E 耗尽层
多子扩散
少子漂移电流
动态平衡：扩散电流 ＝ 漂移电流
多子扩散电流
总电流＝0
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2. PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。
2．电流分配关系
定义：
称为共基极直流电流放大系数
称为共基极交流电流放大系数
其值的大小约为0.9～0.99，近似为1。
定义：
称为共射极直流电流放大系数
称为共射极交流电流放大系数
其值一般在几十到一百多倍。
一般有
，
三个电极上的电流关系:
IE =IC+IB
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基本关系：
其中：
截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。
饱和区 放大区——
曲线基本平行等 距。 此时，发 射结正偏，集电 结反偏。 该区中有：
放大区
截止区
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1.3.4 BJT的主要参数
1.电流放大系数
i C (mA)
（1）共发射极电流放大系数：
2.3
△ iC
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1.1 半导体基础知识
在物理学中，根据材料的导电能力，将其划分为三类： a. 导体：电阻率<10-4Ω∙cm的物质； b. 绝缘体：电阻率>109Ω∙cm的物质； c. 半导体：电阻率介于二者之间的物质； 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。